電力系統(tǒng)諧波的危害及其抑制措施研究

王清彬 秦艷 明愛紅 國網(wǎng)昌吉供電公司

近幾年電力系統(tǒng)發(fā)展已進入嶄新階段，電力市場也隨之開放，無論是生活還是工作隨處可見非線性負(fù)荷身影。而當(dāng)電網(wǎng)處于工作狀態(tài)時，不同層級電網(wǎng)夾雜了大量諧波從而涌入電網(wǎng)內(nèi)部，后果極其嚴(yán)重，電網(wǎng)電流變異，影響了電力系統(tǒng)運行，難以保障電能質(zhì)量，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)高效、安全、穩(wěn)定運行。因而應(yīng)深層次鉆研電力系統(tǒng)諧波問題，制定有效的抑制措施，減輕諧波帶來的危害，恢復(fù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定。

一、諧波概述

（一）定義

利用傅里葉級數(shù)推斷周期性的非正弦電量，不僅可以得知和電網(wǎng)基波頻率相等分量，還可以知曉超過電網(wǎng)基波頻率分量值，對于超出的分量便叫做諧波。一般情況下諧波頻率泛指和基波頻率的比值，叫做諧波次數(shù)。諧波頻率代表基頻倍數(shù)，例如基波頻率制定50赫茲，2次諧波指定100赫茲，根據(jù)此事物原理，推出與之相同的其他事物原理，變異電流作為計量標(biāo)準(zhǔn)，變?yōu)?次諧波、3次諧波。諧波屬于干擾性電流，以此削減電網(wǎng)能量。

（二）產(chǎn)生

產(chǎn)生諧波的根本因素是應(yīng)用了非線性負(fù)載，盡管期許電力系輸送出來的正弦波電流與電壓符合標(biāo)準(zhǔn)，然而正弦波電流途經(jīng)非線性負(fù)載時完成輸配電，電流、電壓處于非線性不相關(guān)狀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)部涌現(xiàn)很多非正弦電流，隨即衍生出諧波。當(dāng)電網(wǎng)將電量傳輸給非線性負(fù)載時就要必須途經(jīng)諧波電流，一些與諧波接觸的設(shè)備會發(fā)生不同程度的變化。基于電力系統(tǒng)環(huán)境下，通常稱非線性元件叫做諧波源，工作波形是非正弦波。部分是把直流電源換化為方波，比如變頻器。該設(shè)備應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，促使其基波變異，但是對于線性阻抗設(shè)備工作原理來說，主要依附感抗渦流和容性電離來完成，比如電弧爐和中頻感應(yīng)爐。此類用電設(shè)備運行時會產(chǎn)生不規(guī)則波和脈沖尖，這些不規(guī)則波和脈沖將直接影響系統(tǒng)基波，增加變異概率，諧波污染趨于嚴(yán)重化[1]。

二、電力系統(tǒng)諧波危害

高次諧波電流的產(chǎn)生主要受非線性負(fù)載的影響，倘若把該電流融入至公用電網(wǎng)中則會在電網(wǎng)抗組中形成高次諧波電壓降，促使正弦波電壓變異。在線路內(nèi)部引入變異電壓，高次諧波電流就會進入線性用電負(fù)載，擴散諧波污染。電力系統(tǒng)諧波危害主要涉及以下幾點：①諧波電流的形成可在某些程度上消耗更多用電線路和電力設(shè)備能量，聚集眾多發(fā)熱來縮減用電線路和電力設(shè)備的應(yīng)用期限，另外用電線路和電力設(shè)備在工作過程中會發(fā)出高頻率噪音。②嚴(yán)重影響異步電動機的轉(zhuǎn)矩曲線，導(dǎo)致該設(shè)備變異情況嚴(yán)重，阻礙做工細(xì)節(jié)，無法完全展現(xiàn)其作用價值。③低頻次諧波通常情況是無法符合換流裝置工作標(biāo)準(zhǔn)。④電流、變壓裝置和自動控制裝置在運行狀態(tài)時會受到諧波電流的擾亂，使它們逐漸與原有工作軌跡拉開距離。⑤大指標(biāo)電網(wǎng)諧波比例可相對減弱消弧線圈的滅弧功效，導(dǎo)致滅弧功效無法正常顯現(xiàn)出來，單相重合閘失敗，并且延長自動重合閘時間。⑥使電能劑量精準(zhǔn)度直線下滑。⑦諧波的產(chǎn)生可能引發(fā)諧振[2]。⑧電容器受損。諧波對于并聯(lián)補償電容器帶來的影響是極大的，根本原因是增加介質(zhì)消耗度，致使電容器熱量增加，受損嚴(yán)重，也有部分介質(zhì)中周圍出現(xiàn)放電情況，導(dǎo)致電容器受損嚴(yán)重。

三、電力系統(tǒng)抑制諧波危害的措施

要抑制和緩解諧波造成的危害可從兩個角度分析，一般使用頻率最高的抑制措施有防范性和補償性。其中防范性措施亦可分為兩類：首先，全面分析供電設(shè)備整體構(gòu)造，最終找出問題并解決，從設(shè)計、制造、配置入手，從而減少諧波。其次，從諧波發(fā)源地抑制諧波的生成，具體借助整流器的調(diào)節(jié)使脈動數(shù)達到標(biāo)準(zhǔn)。補償措施使用方法有：轉(zhuǎn)換饋線參數(shù)，選擇濾波器。以下是從兩個角度分析和研究抑制諧波的有效措施[3]：①對于變壓器連接作業(yè)而言，通常選擇的連接手段是繞組，以此降低部分次數(shù)諧波，例如采用三角連接方式和星形連接方式對三相整流變壓器加以并聯(lián)，從而抑制高次諧波的發(fā)生。②將整流裝置脈動數(shù)進行上調(diào)。該裝置是諧波形成的重要因素，可借助諧波電流頻率和脈動數(shù)之間的關(guān)系，諧波頻率和脈動數(shù)呈正比例關(guān)系，諧波次數(shù)和諧波電流成反比例，這時可通過上調(diào)脈動數(shù)來抑制諧波電流的生成。③脈寬調(diào)制法。如今脈寬調(diào)制法在整流裝置方面廣泛應(yīng)用，該工作模式下的整流器不單單投入在整流上，亦可適用于有源逆變，把直流電能輸送至交流系統(tǒng)。選擇脈寬調(diào)制法，在頻率周期范圍內(nèi)使用，將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的交流電壓脈沖能夠全面抑制諧波。④科學(xué)使用濾波器。將濾波裝置安插在諧波形成的位置，這種方法能夠有效抑制諧波的產(chǎn)生，并且效果明顯。目前可供選擇的濾波器有三種，分別為無源濾波、有源濾波、混合型濾波。⑤謹(jǐn)慎采用并聯(lián)電容器組中串聯(lián)電抗器的參數(shù)。把串聯(lián)電抗器安裝至電容中能夠很好的起到減少諧波電流對其損耗以及電網(wǎng)諧波污染的作用，串聯(lián)的電抗器可以參照不同的諧波強度來明確采用不同比例的電抗值。

四、結(jié)語

綜上所述，諧波的出現(xiàn)可能會使供電企業(yè)電壓出現(xiàn)異常，同時也會影響到電力生產(chǎn)設(shè)備的安全、平穩(wěn)運行，增加電網(wǎng)的消耗率，對繼電保護裝置運行造成干擾，給供電企業(yè)經(jīng)濟利益帶來巨大損失。面對這種局面，應(yīng)重點從基礎(chǔ)層面討論和分析，實時追蹤和引入先進的諧波抑制手段和新型技術(shù)，大力推廣抑制諧波的措施，將危害降到最低，促使電力系統(tǒng)運行效率的全面提升，推動我國電力系統(tǒng)諧波綜合治理的進程。